民居建筑室內(nèi)熱環(huán)境通風(fēng)窗熱損失仿真

劉顯成，朱國(guó)慶

(長(zhǎng)江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 荊州 434023)

1 引言

窗口屬于建筑的多開(kāi)口結(jié)構(gòu)，在居民建筑中具有保溫功能、采光功能以及通風(fēng)功能，在居民建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)中，窗戶是外界與居民建筑之間進(jìn)行能量交換時(shí)的脆弱環(huán)節(jié)[1]。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，建筑能耗中，由通風(fēng)窗引起的能量損失約占總能量的百分之五十左右。尤其是在冬暖夏熱的地區(qū)，冬季時(shí)間較短，夏季時(shí)間長(zhǎng)，全年太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈，氣溫偏高，通風(fēng)窗成為居民建筑調(diào)節(jié)溫度的主要途徑，對(duì)其熱損失的仿真，可以有效降低建筑能耗，在建筑優(yōu)化設(shè)計(jì)中具有重要意義[2]。

文獻(xiàn)[3]以豫南山地民居典型院落的正屋為研究對(duì)象，結(jié)合PHOENICS軟件和ECOTECT軟件分析通風(fēng)窗在室內(nèi)熱環(huán)境中產(chǎn)生的熱損失。文獻(xiàn)[4]根據(jù)外墻和外窗共同構(gòu)成的建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)在不同窗墻面積比情況下，分析自然通風(fēng)建筑室內(nèi)熱環(huán)境對(duì)二者保溫性能的敏感性不同。采用理論分析和數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的方法，分析了外墻和外窗傳熱系數(shù)對(duì)夏季和冬季室內(nèi)熱環(huán)境的影響規(guī)律。并將數(shù)值計(jì)算方法與理論分析方法相結(jié)合，分析通風(fēng)窗的熱損失。文獻(xiàn)[5]以管道為研究對(duì)象，提出一種橫流風(fēng)中絕熱管道的熱損失模擬研究方法。對(duì)橫流風(fēng)作用下水平管道(單管/多管結(jié)構(gòu))中的傳熱現(xiàn)象進(jìn)行了綜合研究，以及通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定傳熱系數(shù)的試驗(yàn)方法。在該研究中，對(duì)直徑為25mm和50mm的保溫鋼管的單管和多管配置上吹出的5m/s、10m/s和15m/s橫流風(fēng)進(jìn)行了檢查，以此為依據(jù)分析自然通風(fēng)條件下管道的熱損失。以上傳統(tǒng)方法均沒(méi)有建立通風(fēng)數(shù)理模型，無(wú)法獲取通風(fēng)窗處自然通風(fēng)的相關(guān)數(shù)值，導(dǎo)致計(jì)算與模擬結(jié)果與實(shí)際不符，方法的整體有效性仍需進(jìn)一步優(yōu)化。

為解決上述方法中存在的問(wèn)題，提出居民建筑室內(nèi)熱環(huán)境通風(fēng)窗熱損失模擬方法。

2 通風(fēng)數(shù)理模型

2.1 通風(fēng)量計(jì)算

假設(shè)溫度在室內(nèi)分布均勻，根據(jù)靜力學(xué)考慮室內(nèi)壓力，結(jié)合伯努利方程[6]和連續(xù)性方程計(jì)算自然通風(fēng)量。

假設(shè)自然風(fēng)在通風(fēng)窗處于穩(wěn)態(tài)流動(dòng)狀態(tài)，修正風(fēng)壓系數(shù)和流量系數(shù)，計(jì)算通風(fēng)窗的孔口流量

(1)

式中，Qt代表通過(guò)通風(fēng)窗的空氣總體積流量；ρ代表空氣密度；Cd代表流量系數(shù)；ΔPt代表壓差；Ao代表通風(fēng)窗的開(kāi)口面積。

2.2 熱壓作用下的自然通風(fēng)通風(fēng)量

用ΔPs表示熱壓作用下通風(fēng)窗處的壓差，其計(jì)算公式如下

ΔPs=gH(ρo-ρi)

(2)

式中，H代表通風(fēng)窗的開(kāi)口高度差；ρo代表空氣在室外中的密度；ρi代表空氣在室內(nèi)中的密度。

單側(cè)通風(fēng)量Qs在熱壓作用下的表達(dá)式如下

(3)

式中，ΔT描述居民建筑室外與室內(nèi)空氣溫度的差值；To代表熱力學(xué)溫度。

2.3 風(fēng)壓作用下的自然通風(fēng)通風(fēng)量

溫差會(huì)影響熱壓通風(fēng)，通常情況下溫度的測(cè)量較為簡(jiǎn)單。湍流特征、風(fēng)速特征和風(fēng)向特征在自然通風(fēng)情況下會(huì)對(duì)風(fēng)壓產(chǎn)生影響，同時(shí)通風(fēng)窗的開(kāi)口尺寸和幾何特征等因素都會(huì)對(duì)風(fēng)壓產(chǎn)生影響，因此計(jì)算風(fēng)壓自然通風(fēng)的難度較高。

如果居民建筑兩側(cè)都存在開(kāi)口，在風(fēng)壓通風(fēng)情況下會(huì)生成貫流通風(fēng)，即過(guò)堂風(fēng)，可通過(guò)現(xiàn)有的公式計(jì)算流量和風(fēng)壓。當(dāng)居民建筑只存在一個(gè)開(kāi)口時(shí)，計(jì)算過(guò)程較為復(fù)雜。

通風(fēng)窗的開(kāi)口、室外風(fēng)向和室外風(fēng)速等因素都會(huì)對(duì)風(fēng)壓通風(fēng)產(chǎn)生影響，在居民建筑單側(cè)開(kāi)口情況下的通風(fēng)窗自然通風(fēng)量為Qw=0.025AeffU，其中Aeff代表通風(fēng)窗的有效開(kāi)口面積；U代表通風(fēng)窗開(kāi)口處的風(fēng)速。

不考慮湍流產(chǎn)生的氣流流動(dòng)，只對(duì)陣風(fēng)產(chǎn)生的影響進(jìn)行考慮，在陣風(fēng)狀態(tài)下計(jì)算通風(fēng)窗的通風(fēng)量Qw

(4)

當(dāng)自然通風(fēng)量處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)可通過(guò)上述模型進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)自然通風(fēng)量處于多變狀態(tài)下，可通過(guò)頻域方法和時(shí)域方法進(jìn)行計(jì)算。

時(shí)域方法和頻域方法兩者之間可以轉(zhuǎn)換，差別較小，但缺少瞬時(shí)風(fēng)壓數(shù)據(jù)是上述方法的弊端。

計(jì)算模型從計(jì)算方式的不同可以分為以下兩種：

1)第一種是采用伯努利方程修正穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下的風(fēng)壓系數(shù)和通風(fēng)流量系數(shù)，利用修正后的系數(shù)獲得壓差ΔPw在風(fēng)壓作用下的表達(dá)式

(5)

式中，vo代表空氣在室外中的流動(dòng)速度；Cpo代表通風(fēng)窗出風(fēng)口處對(duì)應(yīng)的風(fēng)壓系數(shù)；Cpi代表通風(fēng)窗進(jìn)風(fēng)口處對(duì)應(yīng)的風(fēng)壓系數(shù)。

高度會(huì)影響風(fēng)壓系數(shù)，窗墻比在現(xiàn)代居民建筑中通常較大[7，8]，通風(fēng)窗通常情況下都采用大開(kāi)口，此時(shí)如果還使用平均值計(jì)算方法對(duì)風(fēng)壓系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，無(wú)法對(duì)居民建筑表面的實(shí)際風(fēng)壓分布進(jìn)行反映，會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。

2)第二種是在自然風(fēng)脈動(dòng)特性的基礎(chǔ)上構(gòu)建計(jì)算模型，自然通風(fēng)在風(fēng)壓作用下通常會(huì)分為脈動(dòng)氣流流動(dòng)和平均氣流流動(dòng)兩種，當(dāng)居民建筑存在多個(gè)通風(fēng)窗，且通風(fēng)窗處的風(fēng)壓存在差異時(shí)，平均氣流流動(dòng)占據(jù)主導(dǎo)地位；當(dāng)居民建筑只存在一個(gè)主要通風(fēng)窗，或風(fēng)壓在多個(gè)通風(fēng)窗處都相同時(shí)，脈動(dòng)氣流流動(dòng)起主要作用。

2.4 風(fēng)壓、熱壓共同作用下的自然通風(fēng)通風(fēng)量

根據(jù)上述分析，獲得內(nèi)外兩側(cè)通風(fēng)窗開(kāi)口處的全壓差ΔPt，其計(jì)算公式如下

(6)

結(jié)合上述公式，獲得下式

(7)

式中，ΔCpio代表進(jìn)風(fēng)口處的風(fēng)壓系數(shù)與4出風(fēng)口處的風(fēng)壓系數(shù)的差值。對(duì)上式進(jìn)行分析可知，通風(fēng)窗的開(kāi)口面積不對(duì)全壓差ΔPt產(chǎn)生影響。

在式(7)的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出下式

(8)

自然通風(fēng)一般可以分為風(fēng)壓作用下產(chǎn)生的自然風(fēng)、熱壓作用下產(chǎn)生的自然風(fēng)以及兩者共同作用下產(chǎn)生的自然風(fēng)。在實(shí)際工程中可通過(guò)慣性力數(shù)量級(jí)和浮生力數(shù)量級(jí)判斷自然通風(fēng)的類型。根據(jù)Ar數(shù)的大小，即強(qiáng)制對(duì)流和自然對(duì)流的大小，判斷自然風(fēng)的驅(qū)動(dòng)力，Ar數(shù)可通過(guò)下式計(jì)算得到

(9)

式中，l代表定性尺寸。

2.5 自然通風(fēng)計(jì)算模型

1)物理模型

用qv表示居民建筑室內(nèi)的熱源強(qiáng)度；D×H表示居民建筑的尺寸；zNP表示地面與中和面之間的距離；zo表示地面與通窗口底部之間的距離；Ho代表通風(fēng)口的高度。

空氣在開(kāi)口斷面z處的密度為ρ(z)=ρ0+b0z，其中b0代表在垂直方向中空氣密度在開(kāi)口斷面中的變化系數(shù)。

用Δρt(z)=ρt0+btz表示空氣紊流脈動(dòng)產(chǎn)生的影響，其中，bt代表垂直方向中空氣紊流脈動(dòng)作用對(duì)應(yīng)的變化系數(shù)；ρt0代表壓差。

2)數(shù)學(xué)模型

在質(zhì)量守恒的基礎(chǔ)上獲得下式

(10)

式中，z1、z2均代表地面與斷面之間存在的距離；u1、u2均代表斷面對(duì)應(yīng)的法向風(fēng)速函數(shù)；v3、v4均代表斷面對(duì)應(yīng)的法向速度。

在能量守恒原則的基礎(chǔ)上獲得下式

(11)

式中，t1、t2、t3、t4均代表溫度函數(shù)。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，獲得單位寬度通風(fēng)窗的通風(fēng)量Q

(12)

3 通風(fēng)窗熱損失計(jì)算與模擬

3.1 通風(fēng)窗熱損失計(jì)算

通風(fēng)窗熱損失與室外溫度、室內(nèi)溫度和綜合傳熱系數(shù)相關(guān)，居民建筑在不打開(kāi)通風(fēng)窗的情況下保持溫度時(shí)，建筑基本耗熱量Qb即為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的散熱量，一般包括兩個(gè)部分，分別是冷風(fēng)滲透散熱和圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱。開(kāi)窗熱損失Qw通常情況下受通風(fēng)換氣次數(shù)的影響，通風(fēng)換氣次數(shù)越高熱損失越高，相反，通風(fēng)換氣次數(shù)越少，熱損失越低。當(dāng)室內(nèi)所需溫度小于居民建筑室內(nèi)的實(shí)際溫度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生偏高熱損失Qt。通風(fēng)窗熱損失Q即為上述三種損失的總和，其計(jì)算公式如下

=KF(ta-to)+ΔKF(ta+Δta-to)+KFΔta

(13)

3.2 通風(fēng)窗熱損失模擬

居民建筑室內(nèi)熱環(huán)境通風(fēng)窗熱損失模擬方法通過(guò)AIRPAK3.1軟件對(duì)居民建筑室內(nèi)熱環(huán)境通風(fēng)窗熱損失進(jìn)行模擬。

AIRPAK3.1軟件可以模擬多種物理現(xiàn)象，包括空氣流動(dòng)和物理傳熱等，與其它軟件的設(shè)計(jì)成本、設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)和設(shè)計(jì)周期相比，AIRPAK3.1軟件具有極大的優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用在電站通風(fēng)、住宅通風(fēng)、運(yùn)輸通風(fēng)等領(lǐng)域中。

采用AIRPAK3.1軟件對(duì)居民建筑室內(nèi)熱環(huán)境通風(fēng)窗熱損失進(jìn)行模擬，獲得通風(fēng)窗處的速度場(chǎng)與溫度場(chǎng)。

圖1 速度場(chǎng)

圖2 溫度場(chǎng)

4 實(shí)驗(yàn)與分析

為了驗(yàn)證居民建筑室內(nèi)熱環(huán)境通風(fēng)窗熱損失模擬方法的整體有效性，需要測(cè)試居民建筑室內(nèi)熱環(huán)境通風(fēng)窗熱損失模擬方法的應(yīng)用效果。構(gòu)建居民建筑室內(nèi)模型，模型參數(shù)及邊界條件如表1所示。

表1 居民建筑室內(nèi)模型參數(shù)及邊界條件

分別采用居民建筑室內(nèi)熱環(huán)境通風(fēng)窗熱損失模擬方法、文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法對(duì)典型高度平面的溫度進(jìn)行模擬，并將模擬結(jié)果與實(shí)際結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同高度平面的溫度變化

對(duì)圖3進(jìn)行分析可知，采用所提方法對(duì)1.2m、1.8m和0.2m高度通風(fēng)窗的溫度進(jìn)行模擬時(shí)，獲得的溫度模擬曲線與溫度實(shí)際變化曲線基本相符，采用文獻(xiàn)[3]方法模擬不同高度通風(fēng)窗的溫度時(shí)，在不同時(shí)間內(nèi)獲得的溫度模擬值均低于溫度實(shí)際值，采用文獻(xiàn)[4]方法模擬不同高度通風(fēng)窗的溫度時(shí)，在不同時(shí)間內(nèi)獲得的溫度模擬值均高于溫度實(shí)際值，經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，所提方法可準(zhǔn)確的模擬不同高度通風(fēng)窗處的溫度，因?yàn)樗岱椒?gòu)建了通風(fēng)數(shù)理模型，在數(shù)理模型的基礎(chǔ)上模擬居民建筑室內(nèi)熱環(huán)境通風(fēng)窗的溫度，提高了模擬結(jié)果的精準(zhǔn)度。

在相同測(cè)試環(huán)境下，采用所提方法、文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法對(duì)居民建筑開(kāi)窗通風(fēng)和不開(kāi)窗通風(fēng)兩種情況下的通風(fēng)窗熱損失進(jìn)行計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)果的差值越小，表明方法的精準(zhǔn)度越高，上述方法的測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

圖4 通風(fēng)窗熱損失計(jì)算結(jié)果

分析圖4可知，隨著時(shí)間推移，開(kāi)窗通風(fēng)和不開(kāi)窗通風(fēng)條件下的通風(fēng)窗熱損失不斷增加，采用所提方法在以上兩種情況下計(jì)算通風(fēng)窗熱損失時(shí)，獲得的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際通風(fēng)窗熱損失相符，采用文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法在以上兩種情況下對(duì)通風(fēng)窗的熱損失計(jì)算時(shí)，獲得的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際通風(fēng)窗熱損失相差較大。經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，所提方法可精準(zhǔn)對(duì)居民建筑室內(nèi)熱環(huán)境通風(fēng)窗熱損失進(jìn)行計(jì)算，因?yàn)樵摲椒?gòu)建了通風(fēng)數(shù)理模型，對(duì)不同情況下的自然通風(fēng)進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)通風(fēng)窗熱損失進(jìn)行計(jì)算，提高了計(jì)算結(jié)果的精準(zhǔn)度。

5 結(jié)束語(yǔ)

在建筑業(yè)發(fā)展過(guò)程中，節(jié)能始終是一個(gè)發(fā)展目標(biāo)。在不消耗能源的情況下，自然通風(fēng)可以降低建筑能耗，帶走建筑室內(nèi)的潮濕氣體，降低建筑室內(nèi)的溫度，可以提高建筑室內(nèi)的環(huán)境舒適度。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，地理?xiàng)l件、氣象等因素都會(huì)對(duì)自然通風(fēng)的穩(wěn)定性和可靠性產(chǎn)生影響，導(dǎo)致通風(fēng)窗處產(chǎn)生熱損失，因此為了降低建筑能耗，需要對(duì)通風(fēng)窗熱損失進(jìn)行計(jì)算和模擬。目前方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)居民建筑通風(fēng)窗熱損失的計(jì)算和模擬，提出居民建筑室內(nèi)熱環(huán)境通風(fēng)窗熱損失模擬方法，解決了傳統(tǒng)方法中存在的問(wèn)題，為建筑業(yè)的發(fā)展提供了保障。